«Холодные» и «теплые» итоги работы телескопа «Спитцер»

Рис. 1. Компьютерная модель телескопа «Спитцер» на фоне инфракрасного снимка Млечного Пути. Рисунок с сайта nasa.gov

30 января 2020 года завершил свою работу «Спитцер» — космический телескоп, который произвел настоящую революцию в инфракрасной астрономии. В 2003 году, когда был запущен «Спитцер», предполагалось, что его миссия продлится максимум пять лет, однако инструмент проработал намного дольше — шестнадцать с половиной. «Спитцер» во многом поменял представления человечества о космосе, позволив увидеть самые далекие и холодные объекты во Вселенной и сделать множество других важных открытий. Теперь одна из «великих обсерваторий» NASA переведена в режим постоянной гибернации и дрейфует вокруг Солнца вслед за Землей, всё больше отставая и постепенно удаляясь от нашей планеты.

Идея создания инфракрасной обсерватории, которая будет работать в космосе, родилась еще в конце 70-х годов XX века. К тому моменту исследователи уже экспериментировали с выводом телескопов за пределы нижних слоев атмосферы, привязывая их к гигантским воздушным шарам и устанавливая на борту зондирующих ракет, благодаря чему даже удалось провести первый инфракрасный обзор всего неба (S. D. Price, T. L. Murdock, 1983. The Revised Air Force Geophysical Laboratory Infrared Sky Survey). Однако уровень атмосферного шума, влияющего на качество данных, всё равно оставался большим, поэтому ученые начали думать, как отправить инструменты еще выше — туда, где движение воздуха и недостаточная прозрачность земной оболочки не мешали бы астрономическим наблюдениям. Закономерным решением этой проблемы стали космические шаттлы, положившие начало проекту Shuttle Infrared Telescope Facility (SIRTF), который позднее претерпит сильные изменения и будет переименован в «Спитцер».

В то время NASA планировало, что «челноки» будут совершать полеты еженедельно, поэтому в большинстве первоначальных проектов предлагалось установить обсерваторию прямо на борту шаттла. В 1983 году космическое агентство объявило о приеме предложений по созданию приборов для большой инфракрасной обсерватории, которая будет летать в космос несколько раз в год и проходить техобслуживание в перерывах между полетами. Почти одновременно с этим на околоземную орбиту был выведен первый инфракрасный телескоп InfraRed Astronomical Satellite (IRAS), который провел почти полный обзор неба (он изучил 96% небесной сферы) на четырех длинах волн — 12, 25, 60 и 100 микрометров — и обнаружил более 350 тысяч новых инфракрасных источников, включая галактики с активным звездообразованием и звёзды с газопылевыми дисками. Кроме того, IRAS впервые запечатлел центр Млечного Пути в инфракрасном диапазоне, а также помог астрономам открыть протопланетный диск вокруг Веги — второй по яркости звезды в Северном полушарии. Столь впечатляющие результаты естественным образом подогрели интерес к созданию SIRTF.

Рис. 2. Слева: снимок неба, сделанный телескопом IRAS. В середине изображения — центральная часть Млечного Пути. Синим цветом показаны звёзды главной последовательности, а желтым и зеленым — галактики и молодые, окруженные пылью звезды. Фото из статьи H. J. Walker, 2000. A brief history of infrared astronomy. Справа: центр Млечного Пути, сфотографированный «Спитцером». Голубые точки — отдельные звезды нашей Галактики, зеленым показано излучение от полициклических ароматических углеводородов. Фото с сайта apod.nasa.gov

В 1984 году NASA выбрало команду инженеров и астрономов для создания приборов и определения научной программы будущей миссии. На тот момент было принято решение о строительстве самостоятельной космической обсерватории, которое, как выяснилось впоследствии, оказалось верным, так как от шаттлов исходило значительное «загрязнение» в виде паров, мелких частиц и тепловых помех. Обсерватория была переименована из Shuttle Infrared Telescope Facility в Space Infrared Telescope Facility, и уже в начале следующего десятилетия проект получил высший приоритет.

SIRTF в варианте начала 1990-х годов представлял собой телескоп массой 5,7 тонны, который должен был работать на высокой околоземной орбите (High Earth orbit) с радиусом 100 тысяч километров. Стоимость инструмента оценивалась в 2,2 миллиарда долларов, а стоимость запуска, который после катастрофы шаттла «Челленджер» 28 января 1986 года должна была осуществить ракета Titan IV с разгонными блоками Centaur, — в 500 миллионов долларов. Однако после потери автоматической межпланетной станции Mars Observer и обнаружения проблем с зеркалом «Хаббла» (см. Hubble's Mirror Flaw) бюджет всего проекта сократили в несколько раз, что привело к замене пусковой ракеты на более дешевую Delta II и проектированию современной версии обсерватории, которую назвали в честь американского астрофизика Лаймана Спитцера.

Рис. 3. Слева: сравнение двух проектов инфракрасной обсерватории — варианта SIRTF начала 1990-х годов и окончательного проекта «Спитцера». Справа: схема расположения научных и вспомогательных приборов «Спитцера», а также фотография телескопа в сборочном цехе. Рисунки с сайтов irsa.ipac.caltech.edu и americanscientist.org

Телескоп «Спитцер» в итоге оказался в шесть раз легче предыдущего варианта, SIRTF, но при этом имел тот же диаметр зеркала (85 сантиметров) и номинальную криогенную продолжительность жизни (5 лет). Снизить вес телескопа во многом удалось за счет изменения его орбиты с геоцентрической на гелиоцентрическую — это позволило сократить тепловые помехи от Земли и уменьшить количество хладагента. Согласно новому плану, телескоп должен был обращаться вокруг Солнца примерно на том же расстоянии, что и Земля, постоянно отставая от нашей планеты (примерно на 0,1 а. е. в год). Также инженеры отказались от так называемого холодного запуска (при выводе «Спитцера» в космос до сверхнизких температур охлаждались лишь инфракрасные детекторы, а остальные научные приборы остывали уже на орбите), а при сборке телескопа использовали легкий металл бериллий.

«Спитцер», запущенный в 2003 году, стал последней из четырех «великих обсерваторий» NASA после космического телескопа «Хаббл», гамма-обсерватории «Комптон» и рентгеновского телескопа «Чандра». Эти четыре инструмента, примерно одинаковые по размеру, исследовали Вселенную каждый в своей области электромагнитного спектра.

Рис. 4. Снимки галактики Водоворот (М51), выполненные «Спитцером» и обсерваторией Китт-Пик на разных длинах волн. На изображении (а) галактика показана в видимом свете (длины волн — 0,4 и 0,7 микрона). Изображение (b) объединяет видимое и инфракрасное излучение. Снимки (c) и (d) были созданы исключительно с помощью данных «Спитцера» и показывают M51 в инфракрасном диапазоне. Изображение с сайта jpl.nasa.gov

Одной из главных целей «Спитцера» было наблюдение за далекими и холодными объектами. Многие из них скрыты в видимом диапазоне, но хорошо видны в инфракрасном, что связано сразу с несколькими факторами. Во-первых, межзвездная среда заполнена пылью, состоящей из минеральных, органических и ледяных частиц субмиллиметрового размера, которая создает серьезное препятствие для коротких волн видимого света, но при этом довольно прозрачна для более длинноволнового инфракрасного излучения. Во-вторых, инфракрасные обсерватории чувствительны к объектам с температурой от 3000 до 3 кельвинов (то есть от 2727 до −270 градусов Цельсия), что позволяет, например, исследовать холодную межзвездную материю и протопланетные диски. Кроме того, из-за расширения Вселенной увеличивается длина волны испущенного далекими источниками излучения — этот феномен называется космологическим красным смещением. Поэтому инфракрасный диапазон хорошо подходит для изучения объектов, которые сформировались на ранних эпохах космической эволюции, а значит, очень далеки от нас.

Рис. 5. Бело-голубой сверхгигант Каппа Кассиопеи (HD 2905) и инфракрасное свечение (красная область) ударной волны, которую звезда создает примерно в 4 световых годах впереди себя. Фронт ударной волны формируется там, где магнитное поле светила и его звездный ветер сталкиваются с рассеянными газом и пылью, которые заполняют пространство между звездами. Цвета на этой фотографии искусственные: инфракрасное излучение с длинами волн 3,6 и 4,5 мкм показано синим, с длиной волны 8 мкм — зеленым, 24 мкм — красным; все изображение, таким образом, сложено из нескольких снимков, сделанных «Спитцером» на разных длинах волн. Фото с сайта nasa.gov

Миссия «Спитцера» была разделена на два этапа, холодный и теплый, что связано с техническими ограничениями. Так как телескоп изучал Вселенную в инфракрасном диапазоне (который человеческое тело воспринимает как тепло), ему самому надо было оставаться холодным, чтобы его собственное тепловое излучение не создавало помехи. Поэтому на борту телескопа был установлен резервуар с жидким гелием, который помогал поддерживать температуру научных приборов на уровне 1,4 кельвина.

Изначально планировалось, что хладагента хватит на 2,5 года, однако благодаря тому, что «Спитцер» был спрятан за термозащитным экраном и находился (и до сих пор находится) на гелиоцентрической орбите, где температура среды составляет примерно 35 кельвинов, охлаждение его инструментов частично происходило естественным образом, и инженерам удалось растянуть запасы жидкого гелия на 5,5 лет. В этот период обсерватория проводила наблюдения Вселенной на длинах волн от 3 до 160 микрон. После опустошения гелиевого резервуара в 2009 году выяснилось, что два модуля его основного научного инструмента IRAC (Infrared Array Camera), которые вели наблюдения в коротковолновой части инфракрасного диапазона, не потеряли свою функциональность, и миссия обсерватории возобновилась в рамках «теплой» наблюдательной программы при температуре оборудования 28 кельвинов.

Ян Хаоцзин (Haojing Yan),
профессор астрономии в Университете Миссури, бывший постдок в Spitzer Science Center:

Хаоцзин Ян (Haojing Yan). Фото с сайта physics.missouri.edu

«Хотя [инфракрасные] окна, через которые он наблюдал [Вселенную], действительно были доступны его предшественникам, возможности «Спитцера» на порядки лучше с точки зрения чувствительности, пространственного разрешения и спектрального охвата. По этой причине он внес важнейший вклад в чрезвычайно широкий круг научных тем, включая исследования Солнечной системы (благодаря его системам несидерического^* слежения, которые использовались для наблюдения за, например, кометами), экзопланет, нашей галактики Млечного Пути и других близких и далеких галактик. Широта и глубина его вклада, безусловно, были далеко за пределами самых смелых фантазий не только в 70-е годы, когда идея его создания только родилась, но даже перед самим запуском».

«Сообщество астрономов, занимающихся внегалактическими исследованиями, только в самых смелых мечтах могло надеяться, что SIRTF сможет увидеть галактики на красных смещениях до ~3 — и то, если очень повезет. Однако он легко добрался до значения ~6 (а некоторые говорят и о z~11, хотя я отношусь к этому с легким скепсисом). Я до сих пор помню свое волнение, когда мы получили первые результаты. Будучи постдоком, я участвовал в программе GOODS — Great Observatories Origins Deep Survey, и наблюдения «Спитцера» были ключевым компонентом этой программы. После того, как мы закончили обрабатывать данные, полученные в рамках GOODS, мы обнаружили совершенно неожиданную вещь: четкое изображение галактики с красным смещением 5,83. Я буквально подпрыгнул на стуле, когда увидел это на экране! Это полностью изменило наш взгляд на раннюю Вселенную. Сам факт того, что галактика с высоким красным смещением обнаруживается на «спитцеровских» длинах волн, означает две вещи: что в ней должно быть огромное количество звезд, возраст которых достигает нескольких сотен миллионов лет (но возраст Вселенной в то время составлял всего ~1 миллиард лет, то есть она была едва старше самих звезд), и что первая группа галактик, образовавшихся во Вселенной, должна была начать формироваться в течение первых нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва — никто не мог подумать, что рождение галактик начинается так рано».

В число научных задач «Спитцера» вошли изучение Солнечной системы и холодных околозвездных газопылевых облаков, поиск неуловимых коричневых карликов, продолжение ранее начатого IRAS исследования формирующихся звезд при более низких температурах и светимости, поиск мощных инфракрасных галактик и наблюдение за известными на тот момент квазарами. К моменту начала его работы благодаря инфракрасным наблюдениям было сделано уже немало важных открытий — например, ученые обнаружили кольца Урана, молекулы воды в атмосферах Юпитера и Сатурна, инфракрасные перья (нитевидные космические структуры, испускающие инфракрасное излучение, см. Infrared cirrus). Но результаты, полученные «Спитцером», совершили настоящую революцию в инфракрасной астрономии.

Рис. 6. Молекулярное облако Персея (см. Perseus molecular cloud). Это гигантское облако (его масса оценивается более чем в 10 000 масс Солнца, а его протяженность составляет более 500 св. лет) расположено на расстоянии около 1000 световых лет от нас в созвездии Персея. Оно занимает довольно большой участок неба — «прямоугольник» размером примерно 6×2 градуса (для сравнения: угловой диаметр Луны составляет всего 0,5 градуса, то есть на площади небосвода, занимаемой облаком Персея, можно спокойно разместить как минимум 48 лунных дисков), но невооруженным глазом его не увидеть: наши глаза не умеют накапливать в течение продолжительного времени свет от слабых источников. На изображении, полученном телескопом «Спитцер», подписаны яркие звездные скопления: IC 348 и NGC 1333. Фото с сайта jpl.nasa.gov

Как и ожидалось, «Спитцер» помог значительно продвинуться в исследовании молодых галактик. Ему удалось получить снимки объектов, свет от которых шел к нам больше 13 миллиардов лет, которые показали, что массивные галактики существовали уже спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, что помогло скорректировать теории их формирования.

Кроме того, благодаря широкому полю зрения (поле обзора камеры IRAC составляет 5,2×5,2 угловых минуты; для сравнения — угловой диаметр Марса составляет 3,5–25,1 угловых секунды) «Спитцер» смог получить 360-градусную панораму нашей собственной Галактики (см. рис. 2). Она была создана на основе двух миллионов инфракрасных снимков, которые обсерватория делала в течение десяти лет (суммарная выдержка, однако, составила только 172 дня). С помощью этой панорамы исследователи смогли уточнить карты спиральной структуры Млечного Пути, а также изучить центральный бар — вытянутое образование в центральной области Галактики с относительно более высокой плотностью звезд и межзвездного газа, лежащее в плоскости галактического диска (R. A. Benjamin et al., 2005. First GLIMPSE Results on the Stellar Structure of the Galaxy).

Также «Спитцер» показал, что в Млечном Пути намного больше углерода, чем считалось ранее, и обнаружил фуллерены — довольно необычный класс шарообразных молекул с замкнутой поверхностью, представляющих собой одну из аллотропных форм углерода. Фуллерены были открыты сравнительно в 1985 году при исследовании паров графита после его лазерного облучения, а спустя 25 лет «Спитцер» впервые зарегистрировал их в планетарной туманности Tc 1 (J. Cami et al., 2010. Detection of C₆₀ and C₇₀ in a Young Planetary Nebula). Ученые считают, что, по всей видимости, фуллерены родились в слоях оболочки, сброшенной на последних стадиях жизни звездой, породившей эту туманность. Последующие исследования показали, что они действительно довольно часто встречаются в межзвездной среде (M. A. Cordiner et al., 2019. Confirming Interstellar C₆₀⁺ Using the Hubble Space Telescope).

Рис. 7. Композитное изображение спиральной галактики NGC 6872, составленное на основе снимков, полученных телескопами VLT, GALEX и «Спитцер». Голубое пятно левее и выше NGC 6872 — недавно обнаруженная астрономами карликовая галактика, в которой много молодых горячих звезд. Она видна только в ультрафиолетовой части спектра. NGC 6872 удалена от нас примерно на 212 млн св. лет. Расстояние между концами ее спиральных рукавов должно быть больше 500 000 св. лет — то есть она больше чем в пять раз превосходит по размерам наш Млечный Путь. Прямо над диском NGC 6872 расположена взаимодействующая с ней небольшая галактика IC 4790. Недавние исследования (в том числе и на основе данных «Спитцера») показали, что взаимодействие двух галактик началось около 130 млн лет назад и привело к вспышкам звездообразования в обоих спиральных рукавах NGC 6872. Яркое пятно правее диска NGC 6872 — звезда Млечного Пути (вокруг нее хорошо видны дифракционные лучи). Фото с сайта jpl.nasa.gov

Еще одним вкладом в изучение химии космоса стало исследование «первичного супа» Солнечной системы. «Спитцер» проводил наблюдения в то время, когда космический аппарат Deep Impact впервые в истории сбросил на комету Темпеля 1 зонд, протаранивший ее поверхность. Астрономы выполняли этот эксперимент, чтобы выяснить, какие соединения содержатся в более глубоких слоях небесного тела: считается, что кометы сформировались довольно далеко от нашего светила и до сих пор хранят примитивный строительный материал Солнечной системы. Сочетание данных, полученных Deep Impact, с данными «Спитцера» позволило обнаружить соединения, которые участвовали в образовании астероидов, планет и других небесных тел. Многие идентифицированные компоненты были известны ранее, но были найдены и неожиданные «ингредиенты» — например, карбонаты, железосодержащие соединения и ароматические углеводороды.

Однако наиболее громкие результаты пришлись на долю экзопланет. Когда идея создания космической инфракрасной обсерватории еще только родилась, ученым не было известно ни одной планеты за пределами Солнечной системы. Первое достоверное свидетельство их существования было получено в 1992 году, когда астрономы Александр Вольщан и Дейл Фрейл (Dale Frail) обнаружили сразу две планеты вокруг пульсара PSR B1257+12 (A. Wolszczan & D. A. Frail, 1992. A planetary system around the millisecond pulsar PSR 1257+12).

Рис. 8. Композитное изображение остатка сверхновой RCW 86, составленное на основе снимков обсерваторий XMM-Newton, «Чандра», «Спитцер» и WISE, исследовавших объект в рентгеновском и инфракрасном диапазонах. RCW 86 — самая первая задокументированная сверхновая — записи о ней были сделаны китайскими астрономами в 185 году н. э. Синим и зеленым цветами на этом изображении показано рентгеновское излучение от разогретого до миллионов градусов при прохождении ударной волны межзвездного газа. Красным и желтым показано свечение холодных облаков пыли в инфракрасной части спектра. Фото с сайта jpl.nasa.gov

Оказалось, что научные приборы «Спитцера» незаменимы в исследовании далеких миров. Он смог не только впервые определить химический состав атмосферы экзопланет и зарегистрировать их непосредственное инфракрасное излучение (C. J. Grillmair et al., 2007. A Spitzer Spectrum of the Exoplanet HD 189733b), но и построить первую температурную карту далекого мира (T. Louden, P. J. Wheatley, 2015. Spatially resolved eastward winds and rotation of HD 189733b).

Также «Спитцер» поучаствовал в оптическом эксперименте по гравитационному микролинзированию OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) — поиску экзопланет с помощью наблюдения за изменением яркости далеких звезд во время прохождения перед ними других, более близких звезд. В то время как телескоп OGLE в обсерватории Лас-Кампанас искал транзиты (прохождения планет на фоне звезды, см. Транзитный метод) в Магеллановых Облаках и галактическом балдже, «Спитцер» измерял расстояния до систем, опираясь на метод параллакса, благодаря чему астрономы смогли достоверно обнаружить планету в 13 тысячах световых лет от Земли (A. Udalski et al., 2015. Spitzer as Microlens Parallax Satellite: Mass Measurement for the OGLE-2014-BLG-0124L Planet and its Host Star), в то время как большинство известных экзопланет находится в пределах тысячи световых лет.

Одним из самых громких открытий, сделанных с помощью космической обсерватории, стало обнаружение еще четырех планет системы TRAPPIST-1, в которой до это уже было найдено три планеты (M. Gillon et al., 2017. Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1). Таким образом, общее число известных экзопланет, вращающихся вокруг этого тусклого красного карлика на расстоянии 39,5 св. лет, стало равно семи. Все они относятся к землеподобным планетам, а одна из них вполне может быть покрыта водным океаном (A. P. Lincowski et al., 2018. Evolved Climates and Observational Discriminants for the TRAPPIST-1 Planetary System). Три из них находятся в потенциально обитаемой зоне, допускающей существование на поверхности планеты жидкой воды в стабильном состоянии. Также благодаря «Спитцеру» ученым удалось оценить массы экзопланет и на основе этого вычислить их плотность.

Изначально NASA планировало отключить «Спитцер» в 2019 году, но после того, как запуск его сменщика, космического телескопа «Джеймс Уэбб», отложили, научную программу обсерватории было решено продлить до 2020 года. Дальнейшая работа оказалась невозможна (несмотря на то, что модули IRAC не потеряли функциональность), так как обсерватория слишком отдалилась от Земли. Инженерам стало трудно удерживать правильную ориентацию ее солнечных панелей и передающей антенны, избегать перегревания и наводить на цели наблюдений. Поэтому NASA приняло решение о завершении миссии и 30 января передало телескопу команду на перевод в постоянный режим гибернации. При этом, так как телескоп движется по орбите, близкой к земной, примерно через 30 лет он нагонит нашу планету с другой стороны — однако астрономы уже вряд ли будут использовать его для наблюдений.

В будущем исследования «Спитцера» продолжит «Джеймс Уэбб», который должен отправиться на гало-орбиту в марте 2021 года. Как и его предшественник, он будет исследовать Вселенную в инфракрасном диапазоне, но с гораздо большими техническими возможностями. Ожидается, что он сможет заглянуть дальше, чем «Спитцер», и дополнит созданную им картину Вселенной.

Кристина Уласович

^* Наблюдения за звездами, туманностями и галактиками, которые для стороннего наблюдателя «вморожены» в небесную сферу, не смещаются друг относительно друга и имеют постоянные координаты, завязаны на сидерический период (от лат. sidus — звезда). Сидерический период для Земли (сидерический год) длится 365,2564 суток.
Если смотреть на такие далекие объекты с Земли (или с околоземной орбиты), то после того, как наша планета совершит полный оборот вокруг Солнца, каждый из них окажется ровно на том же месте относительно Земли и Солнца, что и годом раньше. Соответственно, Солнце не мешает наблюдать такие объекты примерно в одно и то же время года. И это намного проще, чем наблюдение комет, астероидов или других планет Солнечной системы, которые даже за несколько дней заметно смещаются относительно неподвижного фона. Для их исследования в программу управления телескопом должны быть заложены алгоритмы несидерического слежения, которые позволяют быстро менять ориентацию телескопа в пространстве сразу в нескольких плоскостях.

https://elementy.ru/novosti_na...